Устройство и способ обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания лёгкой мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла Российский патент 2025 года по МПК F01M5/02 F02N19/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для мобильных машин с гидроприводом и с двигателем внутреннего сгорания (далее - ДВС), например, мини-погрузчиков, штабелеров, самоходных платформ, мотобуров, мобильных гидростанций и др., к которым предъявляются особые требования по гарантированному пуску в любых климатических условиях, включая применение в районах с низкими температурами воздуха.

При хранении и простое в неработающем состоянии мобильных машин с гидроприводом вязкость гидравлического масла при отрицательных значениях температуры значительно увеличивается. Например, вязкость гидравлического масла при температуре минус 20°С может достигать значения более 1,8×10^-3 м²/с, тогда как его вязкость при температуре плюс 20°С составляет уже 0,11×10^-3 м²/с. То есть при охлаждении гидравлического масла его вязкость увеличивается более чем в 16 раз.

Нерегулируемый насос или насосы открытой гидростатической системы соединены с валом ДВС неразрывно, что является вынужденной необходимостью при конструировании мобильной машины с гидроприводом. То есть всегда на выходном валу ДВС существует момент сопротивления его вращению тем больший, чем больше вязкость гидравлического масла. Запуск ДВС возможен только при условии незначительного момента сопротивления вращению его выходного вала. Но при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, то есть при его высокой вязкости, необходим большой крутящий момент на валу ДВС мобильной машины, который не может быть реализован, что не позволяет осуществить запуск в работу ДВС мобильной машины.

Из существующего уровня техники известно техническое решение, предполагающее наличие сцепления или отключаемой муфты между валом ДВС и нерегулируемым насосом или насосами мобильной машины, например, применяющееся на мини-погрузчиках ЧЕТРА МКСМ (Мини-погрузчики ЧЕТРА МКСМ СЕРИИ «М». Коммунальная дорожно-строительная техника. Каталог Четра. с. 18). Разрыв связи между ДВС и насосом или насосами позволяет произвести гарантированный запуск ДВС.

Недостатком известного технического решения является дороговизна сцепления или муфты, сложность конструкции, а также увеличенные габаритные размеры сборки, состоящей из ДВС со сцеплением или с муфтой и насоса или насосов.

Известно техническое решение, основанное на предпусковом прогреве гидравлического масла в гидравлическом баке мобильной машины с целью снижения его вязкости и соответственного уменьшения момента сопротивления вращению выходного вала ДВС, что позволяет обеспечить его гарантированный запуск (Медников, К.А. Анализ систем подогрева гидравлической жидкости / К.А. Медников; науч. рук. Г.С. Кульгейко // Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: материалы XX Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Гомель, 23-24 апр. 2020 г. / М-во образования Респ. Беларусь, Гомел. гос.техн. ун-т им. П.О. Сухого; под общ. ред. А.А. Бойко. - Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2020. - С. 41-45).

Недостатком известного технического решения является необходимость оборудования гидравлического бака специальными обогревательными устройствами, имеющими дополнительную стоимость и требующими для подготовки запуска ДВС доставки энергии до обогревателя и, соответственно, расхода энергоносителя (электроэнергии, топлива). Другим недостатком является то, что при реализации этого решения невозможно прогреть объем гидравлического масла, находящийся в магистралях гидравлической линии, распределительных устройствах и исполнительных гидравлических механизмах. То есть, большой момент сопротивления вращению вала ДВС при попытках его запуска сохраняется.

Наиболее близким аналогом является известное устройство обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, представляющее собой гидростатическую систему, состоящую из гидравлического бака, нерегулируемого насоса, механически соединенного последовательно и неразрывно с ДВС, и гидравлических механизмов. Известное устройство снабжено дополнительной гидравлической магистралью с управляемым разгрузочным клапаном, располагающуюся от выхода из нерегулируемого насоса до гидравлического бака (Руководство по эксплуатации и техническому обслуживанию. ANT100.01.01.01.01 РЭ. Универсальный фронтальный мини-погрузчик с бортовым поворотом. ANT1000.01. ООО ТД «Эра Машин»).

Недостатком известного устройства являются то, что во время запуска и в начале работы ДВС на вход насоса продолжает поступать холодное гидравлическое масло большой вязкости. Отсутствие гидравлических сопротивлений от выхода насоса до гидравлического бака при открытом разгрузочном клапане приводит к долгому прогреву гидравлического масла в большом объеме гидравлического бака.

Другим недостатком известного устройства остается значительная нагрузка на выходной вал ДВС через насос при закрытии разгрузочного клапана и направления холодного и высоковязкого гидравлического масла к исполнительным гидравлическим механизмам. Вследствие чего работа ДВС может прекратиться.

Таким образом, технической задачей является такое устройство обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, в котором нет излишних сложных и дорогостоящих элементов; которое не увеличивает габаритные размеры сборки ДВС с нерегулируемым насосом или насосами; которое позволяет осуществить гарантированный запуск ДВС с минимизированной нагрузкой и последующее поддержание его работы до полного прогрева гидравлического масла во всей гидростатической системе. Способ использования такого устройства должен позволять постепенно прогреть полный объем гидравлического масла не только в гидравлическом баке, но и во всех магистралях, насосах, распределительных устройствах и исполнительных гидравлических механизмах гидростатической системы.

Поставленная задача решается описанными ниже техническими решениями.

Мощность N, затрачиваемая на работу насоса, определяется формулой:

где р - давление гидравлического масла на выходе из насоса;

Q - расход гидравлического масла через насос;

η - КПД насоса.

Момент нагрузки М на валу насоса определяется формулой:

где n - число оборотов на валу.

Для того, чтобы минимизировать момент на валу насоса и, соответственно, момент сопротивления вращению выходного вала ДВС, необходимо максимально уменьшить давление или расход гидравлического масла на выходе из насоса. Реализовать это можно, направив гидравлическое масло напрямую с выхода на вход насоса, минуя основные гидравлические магистрали, распределительные устройства и исполнительные гидравлические механизмы, а также, не забирая новых порций холодного и вязкого гидравлического масла из гидравлического бака.

Направление потока холодного гидравлического масла с большой вязкостью, например, более 1,8×10^-3 м²/с при минус 20°С, напрямую с выхода на вход насоса через разгрузочную гидравлическую магистраль позволяет снизить перепад давления между выходом и входом насоса с порядка 16 МПа до значений менее 1 МПа. Это сопоставимо со значениями перепада давления гидравлического масла с температурой плюс 20°С и вязкостью порядка 0,11×10^-3 м²/с, проходящего через насос и все необходимые исполнительные гидравлические механизмы. Таким образом минимизируется сопротивление вращению выходного вала ДВС и гарантируется его запуск.

После успешного запуска ДВС и в процессе его работы гидравлическое масло разогревается и поэтому снижается вязкость его объема только в насосе или насосах и на разгрузочных гидравлических магистралях. В объеме гидравлического бака и в объемах гидростатической системы гидравлическое масло остается холодным с высокой вязкостью и после резкого отключения разгрузочной гидравлической магистрали, и подачи его к исполнительным механизмам, соответственно, с откачкой холодного и вязкого гидравлического масла из гидравлического бака, между входом в насос и выходом из него вновь возникнет большой перепад давления, который приводит к большому моменту сопротивления на выходном валу ДВС, что может привести к остановке последнего.

Для исключения этого недостатка разгрузочная гидравлическая магистраль должна закрываться постепенно, направляя части потока разогретого и маловязкого гидравлического масла в основные магистрали гидростатической системы, соответственно, вытесняя из последней холодное и вязкое гидравлическое масло и засасывая из гидравлического бака на вход насоса холодное и вязкое гидравлическое масло. То есть, при уменьшении расхода гидравлического масла в магистралях гидростатической системы уменьшается и момент сопротивления вращению выходного вала ДВС. Одновременно прохождение части гидравлического масла через гидростатические магистрали с повышенным гидравлическим сопротивлением обеспечивает плавное и безопасное для ДВС увеличение момента сопротивления на валу ДВС и одновременный ускоренный прогрев всего объема гидравлического масла в гидравлическом баке и во всем объеме гидростатической системы.

Предлагаемое решение еще более оправдано использовать в многопоточной гидростатической системе мобильной машины с несколькими гидравлическими нерегулируемыми насосами, валы которых неразрывно соединены с одним выходным валом ДВС, так как моменты сопротивлений насосов складываются. В этом случае каждый насос снабжается собственной разгрузочной гидравлической магистралью.

Предлагается устройство обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, представляющее собой гидростатическую систему, состоящую из гидравлического бака, не менее одного нерегулируемого насоса, механически соединенного последовательно и неразрывно с ДВС, и не менее одного исполнительного гидравлического механизма. Устройство снабжено по числу насосов разгрузочными гидравлическими магистралями с регулируемыми дросселями, выполненными с возможностью соединения выхода каждого из насосов гидростатической системы с входом того же насоса.

При этом, регулируемые дроссели могут иметь электрический привод, например, программируемый, для автоматизации управления всем устройством обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла.

На входе в гидростатическую систему может быть установлен фильтр.

Предлагается способ обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла при помощи описанного выше устройства, с одной или несколькими разгрузочными гидравлическими магистралями с регулируемыми дросселями, выполненными с возможностью соединения выхода каждого из насосов гидростатической системы с входом того же насоса. Перед запуском регулируемые дроссели полностью открыты, а насосы выполнены с возможностью направления потока холодного и вязкого гидравлического масла через разгрузочные гидравлические магистрали и создания минимального момента сопротивления вращению выходного вала ДВС. После запуска и прогрева ДВС каждый из регулируемых дросселей начинают прикрывать, обеспечивая циркуляцию одной части гидравлического масла через разгрузочные магистрали и направление другой части гидравлического масла с меньшим от номинальной величины расходом через исполнительные механизмы обратно в гидравлический бак. После закрытия всех регулируемых дросселей гидравлическое масло забирается из гидравлического бака и уже с номинальным расходом направляется через исполнительные механизмы обратно в гидравлический бак.

Таким образом при полностью открытых дросселях нерегулируемые насос или насосы гидростатической системы имеют возможность направлять полный поток гидравлического масла с выхода насоса или насосов на их вход, минуя распределительные устройства и исполнительные гидравлические механизмы гидростатической системы, тем самым минимизируя момент сопротивления на валу ДВС.

При частично закрытом дросселе гидравлическое масло частично проходит по круговому контуру разгрузочной магистрали от выхода насоса на его вход, а остальная часть поступает в линии гидростатической системы. При этом объем гидравлического масла, поступающий в линии гидростатической системы, компенсируется забором такого же объема гидравлического масла из гидравлического бака.

В многопоточной гидростатической системе с использованием нескольких насосов наличие разгрузочных гидравлических магистралей на каждом насосе позволяет постепенно прогревать гидравлическое масло, перекрывая регулируемые дроссели поочередно. В однопоточной гидравлической системе с использованием одного насоса регулируемый дроссель позволяет постепенно закрывать разгрузочную гидравлическую магистраль, тем самым направляя часть гидравлического масла к исполнительным гидравлическим механизмам. Гидравлическое масло, проходя под давлением через элементы гидростатической системы, из-за наличия в ней гидравлического сопротивления постепенно разогревается.

Для автоматизации и удобства управления мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла регулируемые дроссели разгрузочных гидравлических магистралей могут управляться с помощью электрического привода.

В общем случае многопоточная гидростатическая система (для примера рассмотрим трехпоточную систему) с устройством обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, схематично изображенная на фигурах 1 и 2, состоит из гидравлического бака 12, нерегулируемых насосов 7, 8 и 9, разгрузочных гидравлических магистралей 1, 2 и 3 с соответствующими регулируемыми дросселями 4, 5 и 6. Разгрузочные гидравлические магистрали 1, 2 и 3 соединяют выходы со входами соответствующих насосов 7, 8 и 9 гидросистемы. Насосы 7, 8 и 9 последовательно и неразрывно механически соединены с ДВС 10. На входе в гидросистему может быть установлен фильтр 11, препятствующий проникновению в гидросистему механических примесей из гидравлического бака 12. Роль эффективной нагрузки в схеме выполняют исполнительные гидравлические механизмы 13, 14 и 15.

Однопоточная гидростатическая система с устройством обеспечения запуска ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, схематично изображенная на фигурах 3 и 4, состоит из гидравлического бака 12, нерегулируемого насоса 7 и разгрузочной гидравлической магистрали 1 с регулируемым дросселем 4. Разгрузочная гидравлическая магистраль 1 соединяет выход со входом насоса 7 гидросистемы. Насос 7 неразрывно механически соединен с ДВС 10. На входе в гидросистему может быть установлен фильтр 11, препятствующий проникновению в гидросистему механических примесей из гидравлического бака 12. Роль эффективной нагрузки в схеме выполняют исполнительные гидравлические механизмы 13.

Регулируемые дроссели 4, 5 и 6 разгрузочных гидравлических магистралей 1, 2 и 3 могут иметь электрический привод, например, программируемый, который автоматизирует работу описанного устройства.

Способ обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла при помощи описанного выше устройства представляет собой следующую последовательность операций.

Перед запуском регулируемые дроссели 4, 5 и 6 полностью открыты (фиг. 1). В результате при запуске и начальном прокручивании выходного вала ДВС 10 насосы 7, 8 и 9 направляют поток холодного и вязкого гидравлического масла через разгрузочные гидравлические магистрали 1, 2 и 3, создавая минимальный перепад давления и, соответственно, минимальный момент сопротивления вращению выходного вала ДВС 10. Стрелками на фиг. 1 показано направление движения рабочей жидкости (гидравлического масла) в магистралях гидростатической системы.

После запуска и начального прогрева ДВС 10 в течение порядка 5-10 минут один из регулируемых дросселей, например, дроссель 4, начинают постепенно прикрывать вручную или при помощи электрического привода. В результате чего, часть рабочей жидкости все так же продолжает циркулировать через разгрузочную магистраль 1, а другая ее часть забирается из гидравлического бака 12 и с меньшим от номинальной величины расходом направляется через исполнительные механизмы 13 обратно в гидравлический бак 12. При этом гидравлическое масло, проходя через нагрузку в виде исполнительных механизмов 13, постепенно разогревается за счет гидравлического сопротивления, и его вязкость уменьшается.

В многопоточной гидростатической системе, убедившись в равномерной работе ДВС 10 после полного закрывания дросселя 4, не останавливая ДВС 10, последовательно повторяют те же действия со следующими дросселями 5 и 6.

Когда все регулируемые дроссели 4, 5 и 6 становятся закрытыми (фиг. 2), рабочая жидкость забирается из гидравлического бака 12 и уже с номинальным расходом направляется через исполнительные механизмы 13 обратно в гидравлический бак. Гидростатическая система мобильной машины готова к работе.

Однопоточная гидростатическая система мобильной машины готова к работе после полного закрывания дросселя 4 (фиг. 3 и 4).

Изобретение может быть использовано при запуске мобильных машин с гидроприводом и с двигателем внутреннего сгорания при отрицательных значениях температуры. Устройство обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла представляет собой гидростатическую систему, состоящую из гидравлического бака (12), нерегулируемых насосов (7), (8) и (9), последовательно и неразрывно механически соединённых с двигателями внутреннего сгорания (10), и исполнительных гидравлических механизмов (13), (14) и (15). Устройство снабжено разгрузочными гидравлическими магистралями (1), (2), (3) с регулируемыми дросселями (4), (5), (6), выполненными с возможностью соединения выхода каждого из насосов (7), (8), (9) гидростатической системы с входом каждого из насосов. Раскрыт способ обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания ДВС мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла при помощи устройства с одной или несколькими разгрузочными гидравлическими магистралями. Технический результат заключается в гарантированном запуске ДВС с наименьшей величиной нагрузки на валу насоса и соответственно с наименьшем моментом сопротивления вращению выходного вала ДВС. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла, представляющее собой гидростатическую систему, состоящую из гидравлического бака, не менее одного нерегулируемого насоса, механически соединенного последовательно и неразрывно с ДВС, и не менее одного исполнительного гидравлического механизма, устройство снабжено по числу насосов разгрузочными гидравлическими магистралями с регулируемыми дросселями, выполненными с возможностью соединения выхода каждого из насосов гидростатической системы с входом того же насоса.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регулируемые дроссели имеют электрический привод.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что электрический привод регулируемых дросселей является программируемым.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что на входе в гидростатическую систему установлен фильтр.

5. Способ обеспечения запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) мобильной машины с гидроприводом при отрицательных значениях температуры гидравлического масла при помощи устройства по любому из пп. 1-4, с одной или несколькими разгрузочными гидравлическими магистралями с регулируемыми дросселями, выполненными с возможностью соединения выхода каждого из насосов гидростатической системы с входом того же насоса, заключающийся в том, что перед запуском регулируемые дроссели полностью открыты, а насосы выполнены с возможностью направления потока холодного и вязкого гидравлического масла через разгрузочные гидравлические магистрали и создания минимального момента сопротивления вращению выходного вала ДВС, а после запуска и прогрева ДВС каждый из регулируемых дросселей начинают прикрывать, обеспечивая циркуляцию одной части гидравлического масла через разгрузочные магистрали и направление другой части гидравлического масла с меньшим от номинальной величины расходом через исполнительные механизмы обратно в гидравлический бак, а после закрытия всех регулируемых дросселей гидравлическое масло забирается из гидравлического бака и уже с номинальным расходом направляется через исполнительные механизмы обратно в гидравлический бак.